摘要

分析 DAPI 染色的显微镜图像以识别单个细胞核，定量分析细胞核形态，并根据 DNA 含量和染色质结构评估细胞周期状态。该工作流程将自动细胞核分割与单细胞形态学和纹理分析相结合，以表征细胞群体特征。

输入

DAPI 染色的荧光显微镜图像

输出

• 细胞核分割掩膜

• 每幅图像的细胞计数

• 细胞核尺寸和形态学测量数据

• 细胞周期时相分类 (G1, S, G2/M)

• 染色质纹理特征

• 群体水平的汇总统计数据和可视化图表

分析细分

1. 分割与质控 (QC)

将 StarDist 2D_versatile_fluo 预训练模型 (prob_thresh=0.479, nms_thresh=0.3) 应用于百分位数归一化（第1至第99.8百分位数）且 n_tiles=(2,2) 的图像

• StarDist 共检测到 104 个细胞核；排除了 1 个高荧光强度离群值（2,077 AU，而群体平均值为 571 AU——可能为杂质）

• 24 个细胞核被标记为边缘截断（边界框距离图像边缘 5 px 以内）；最终有效队列：79 个细胞核

  

  
  

2. 细胞核形态学分析

(n=79 个有效细胞核)

形态学：通过 skimage.measure.regionprops_table 获取每个细胞核的面积、平均/最大强度、离心率、实度、周长和质心

纹理：Haralick 灰度共生矩阵 (GLCM) 特征（对比度、均匀度、能量、相关性），参数设置为距离=1、四个角度、64个灰度级

• 面积：平均 702 ± 280 px²，范围 109–1,495 px²

• 平均强度：571 ± 134 AU（103 个细胞核群体，不含离群值）

• 离心率：平均 0.744（拉长的椭圆形；0=圆形，1=线形）

• 实度：平均 0.962（高度凸起——完整、分割良好的细胞核）

3. 聚类

无监督表型聚类：基于 10 个标准化形态+纹理特征，采用 KMeans 算法进行聚类 (k=3，通过轮廓系数扫描 k=2–6 确定；轮廓系数=0.34)

聚类 0 完全对应于边缘截断伪影。PCA 空间（PC1+PC2 = 69.3% 方差）显示各聚类之间存在明显的界限

聚类 1 和 2 代表生物学上不同的细胞核状态——主导群体（聚类 2，n=78）由大、亮、高度凸起的细胞核组成，与 G1 期分裂间期细胞一致；而中等聚类（聚类 1，n=17）则捕获了强度升高（781 对比 547 AU）、纹理对比度更高且均匀度较低的细胞核，归入 S 期组分

4. 细胞周期

   强度分布在形式上呈单峰分布（Hartigan p=0.697），且未发现任何 G2/M 期细胞核（即没有任何细胞核达到预期的 ~1,100 AU 的 2 倍 G1 期 DNA 含量阈值），这与非周期性、静止期或早期传代的培养物特征一致

   • G1 期基线（主导聚类中位数）：550 AU；在 2×G1 = 1,100 AU 处预期的 G2/M 期超过了观察到的最大值 (1,005 AU)

   • 通过带宽 bw=0.15 处核密度估计 (KDE) 中的中间强度肩峰，可检测到 16.5% (n=12) 的少数 S 期组分

• 基于生物学背景的阈值：G1/S = 688 AU (1.25×)；S/G2M = 1,018 AU (1.85×)

• G1期：67 个细胞核 (83.5%) | S期：12 个细胞核 (16.5%) | G2/M期：0

5. G1 与 S 期比较

G1 与 S 期对比（Mann-Whitney U 检验，双侧）

染色质纹理作为细胞周期时相判别特征：S 期细胞核在大小、形状和周长等形态学上与 G1 期细胞核无法区分（Mann-Whitney p 均 > 0.05），但表现出强烈的染色质纹理特征——GLCM 对比度高 2.07 倍 (p=4.5e-7)，均匀度较低（0.85 倍，p=2.7e-6），且能量较低（0.78 倍，p=6.1e-5）。这种纹理特征与开放的复制叉染色质结构相吻合，在这种结构中，局部解凝聚区域产生升高的像素间强度方差（对比度），并破坏了 G1 期异染色质均匀且紧密排列的纹理（均匀度和能量）

直观的剪切画廊直接证实了这些差异——在尺寸相当的情况下，与较平滑的 G1 期细胞核相比，S 期细胞核显示出明显更具颗粒感的内部结构

标准化分析流程并推广至多张图像

在 7 个 IXM 视野中共检测到 679 个细胞核；经边缘和离群值过滤后保留了 549 个有效细胞核

下方的三栏式汇总图并排显示了每个视野按时相分类的细胞核计数、带有跨视野平均值的 S 期组分比例，以及 GLCM 对比度（G1 与 S）。

细胞计数：每个视野的有效细胞核范围从 27 个（A12_s7，稀疏视野）到 124 个（A09_s1）。排除了 123 个边缘伪影（占所有检测值的 18.1%），这些伪影在各个视野中分布均匀，表明存在孔板成像所预期的、一致的边界效应。

• S期组分比例：在七个视野中的六个中保持一致，平均值为 10.6% ± 3.4% SD，这与异步、慢周期的细胞群体相符。

• A12_s7 离群值：S 期组分比例降至 3.7% (n=1)，而 G2/M 期升至 11.1% (n=3)——这是唯一一个能检测到 G2/M 期细胞核的视野。

• GLCM 对比度：在所有 7 个视野中，G1 期基线对比度（中位数 79.5 AU）始终高于 S 期对比度（57.3 AU），每个视野的 S/G1 比率范围在 0.56–0.89× 之间。